拉曼背向散射信号特性研究

摘要在光纤中所探测到的含有温度信息的拉曼后向散射光十分微弱，甚至完全淹没在噪声中，所以分布式光纤温度传感器信号处理的研究是比较重要的，这样才能对拉曼光谱进行详细的分析，才能更好的应用。光纤中的散射光主要包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。在本论文中概述了散射原理并对拉曼散射的基本原理做了详细的叙述。在光纤的传输过程中，损耗是一个主要问题，文中重点研究了光纤传输损耗，并用matlab对传输过程中的损耗进行了仿真模拟分析。本文在温度对光谱产生的作用方面也做了阐述，分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标。通过以上的了解提出拉曼分布式温度传感器温度信号的三种解调方法，并比较三种解调方法的优缺点。利用对拉曼光谱特性的模拟，并通过对仿真图的数据分析指出拉曼散射与外界个因素之间的关系。关键词：分布式光纤拉曼光谱温度效应解调方法TitleMATLAB-basedFiberOpticSensorSignalpropagatiocharacteristicsoftheassassinationofRamanSimulationstudyAbstractInthefibercontainingthetemperatureinformationdetectedbytheRamanbackscatteringoflightisveryweakorevencompletelysubmergedinthenoise,sothedistributedopticalfibertemperaturesensorsignalprocessingresearchismoreimportant,soastodetailsoftheRamanspectraAnalysis,inordertobetterapplications.ThescatteredlightfiberincludesRayleighscattering,BrillouinscatteringandRamanscattering.InthispaperthescatteringtheoryoutlinedthebasicprinciplesofRamanscatteringandadetaileddescription.Inopticalfibertransmissionprocess,thelossisamajorproblem,thepaperfocusesonthetransmissionlossandtransmissionusingmatlabontheprocessoflossandthemutationoccurredinasimulationanalysis.Inthispaper,theeffectoftemperatureonthespectrumhavealsodoneapaperanalyzesthedistributedopticalfiberRamantemperaturesensorperformance.ThroughtheaboveunderstandingoftheproposedRamandistributedtemperaturesensortemperaturesignalofthethreedemodulationmethod,andcomparetheadvantagesanddisadvantagesofthethreedemodulation.UseofRamanspectralcharacteristicsofthesimulation,andthroughthesimulationanalysisofthedatagraphthatRamanscatteringandtherelationshipbetweenexternalfactors.KeywordsDistributedopticalfiberRamanspectroscopyTemperatureeffectDemodulation目录摘要..............................................................1Abstract............................................................21引言.............................................................11.1基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状.................11.2本论文的主要研究内容和组织安排..............................22光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理...............................32.1光纤中散射的分类.............................................32.2拉曼散射的原理...............................................52.3Raman散射理论模型...........................................73拉曼光谱的传输特性...............................................83.1拉曼光谱的基本特征..........................................83.2损耗的机理..................................................83.3光纤拉曼增益系数的测量.....................................123.4拉曼光谱的数据处理..........................................144拉曼光谱的温度敏感特性..........................................164.1基于拉曼散射的测温原理......................................164.2Raman散射型分布式光纤温度传感器系统的温度标定..............164.3拉曼分布式光纤温度传感器性能指标............................214.4拉曼散射的温度效应..........................................225拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法......................255.1利用反斯托克斯拉曼散射光功率曲线自解调方法..................255.2利用斯托克斯拉曼散射光功率曲线的解调方法....................265.3利用瑞利散射光功率曲线的解调方法...........................275.4三种解调方法的比较.........................................296基于MATLAB的模拟仿真...........................................30结论............................................................36致谢............................................................37参考文献........................................................38附录............................................................401引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。光纤中的散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中拉曼散射光的强度很小，需要把瑞利和布里渊散射滤除以后才能提取出拉曼散射光进而进行分析。拉曼散射广泛的应用于化学、生物学、物理学和医学等各个领域，有力得推动了对分布式光纤温度传感器的研究和应用。把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本身的实时自检测和自诊断，用于航空航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种崭新的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。本文通过对拉曼光谱的基本特征的分析及研究，实现光信号的稳定性和信号解调的可靠性，提高传感系统的可靠性。1.1基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状[1][2]1928年印度科学家拉曼(Raman)发现，当光子与流体和气体分子相互作用时，在入射光频率的两端会出现新的谱线，这一现象称为散射效应，即拉曼散射光谱。拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时，入射光可以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为Stokes散射或Anti-Stokes散射。激光器的出现，有力地推动了对拉曼散射的研究，并发现了新的拉曼散射效应，如共振拉曼散射、非线性拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干Anti-Stokes散射。拉曼散射广泛地应用于化学、物理学、生物学和医学等各个学科领行定性和定量分析和测量环境温度。近年来，一些科学家利用Rayleigh散射精细结构谱的强度与Rayleigh散射的强度比作为一种新型的分布光纤传感器原理，进行了探索。1985年，英国的J.P.Dankin等人首次成功地利用光纤的拉曼散射温度效应和光时域反射原理实现了采用拉曼散射的分布式测温技术以来，在世界范围内众多研究人员展开了基于拉曼散射的传感系统的研究，并取得了可喜的成绩。目前，基于拉曼散射的温度传感技术主要集中在二个方面：一是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术；二是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。基于Raman散射的分布式光纤温度传感器系统的技术已相对成熟,需要大力开展应用和应用技术研究,在工业自动化过程检测和控制中,应用分布式光纤测量网络,开拓产业市场,发展高科技产业。1.2本论文的主要研究内容和组织安排论文主要是利用基于拉曼散射的测温原理及精度分析对拉曼散射光的温度敏感特性进行探讨，并对传输过程中光纤的损耗特性进行了详细的研究；最后应用MATLAB进行了模拟仿真和数据分析，基于仿真结果提出了合理的拉曼光谱信号检测和解调方案，并比较各方案的优缺点。内容安排如下:第二章是光纤中散射光的分类及原理。首先介绍了光纤中的各种散射光，并利用图形来说明各类散射光的散射原理，位置分布和散射强度。其次，重点介绍了拉曼散射的原理。第三章是拉曼光谱的传输特性。首先介绍了拉曼光谱的基本特征；然后重点介绍了光纤传输的损耗机理；最后介绍了拉曼光谱的数据处理（主要是噪声谱的消除和减少）。第四章是拉曼光谱的温度敏感性。首先介绍了光纤的测温原理及精度分析；其次介绍了基于拉曼散射的测温原理和性能指标；再次是分析拉曼散射的温度效应。第五章是拉曼分布式温度传感器的温度解调方法。分别介绍了三种不同的解调方法，并进行了比较。第六章用MATLAB对拉曼光谱的各种特性进行模拟仿真的程序设计和对模拟结果的分析。最后为全文总结，简要概括了本文的主要工作及研究的主要结论。2光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理在本章中，主要分析光纤散射和散射的原理。光纤中的散射包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射；并用了一个光纤散射光谱图对这三种散射的强度，波长做了明确的说明。在散射原理中重点讲述了拉曼的散射原理，拉曼散射的理论模型。[3]2.1光纤中散射的分类光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而